專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)量電功率的反調(diào)寬脈沖電流反饋法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電功率測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域。
電能的測(cè)量，是一項(xiàng)重要的參數(shù)測(cè)量，無(wú)論在科研或工業(yè)領(lǐng)域，一直被人們所重視。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電功率的測(cè)量，亦采用了電子法，它使測(cè)量的精確度很高。如日本橫河株式會(huì)社生產(chǎn)的2885有功功率轉(zhuǎn)換器，它將電流、電壓的乘積用時(shí)間分隔法精確得出，用直流電壓指示，在實(shí)際使用中，往往配用精密的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)進(jìn)行數(shù)顯。用這種測(cè)試方法所做的電能表，雖然精確度可達(dá)0.1級(jí)以上，最高可達(dá)0.02級(jí)，但因精確的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器價(jià)格昂貴，電能表的價(jià)格亦貴，且隨著電能表精確度要求愈高，模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的價(jià)格就愈貴，線路結(jié)構(gòu)亦愈復(fù)雜。
本發(fā)明的目的是用一種新的方法來(lái)測(cè)量電功率，并制成電能表，其精確度也可達(dá)到0.1級(jí)以上，且不需用精確的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，價(jià)格便宜，線路比較簡(jiǎn)單。
本發(fā)明的工作原理是將與電功率有關(guān)的電壓、電流、Cosψ值直接轉(zhuǎn)換為脈沖頻率信號(hào)，而不用模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，且此信號(hào)與上述的電壓、電流、Cosψ的乘積成正比，即f∝IUCosψ。當(dāng)功率改變時(shí)，脈沖信號(hào)的頻率亦隨之改變，因此測(cè)出脈沖信號(hào)的頻率，亦就測(cè)出了電功率，由于脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)就表示電能值，所以它不需要模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，而直接用計(jì)數(shù)顯示器進(jìn)行顯示。


圖1為本發(fā)明的方框原理圖。
圖2為本發(fā)明反饋系統(tǒng)中的反比調(diào)寬脈沖器的方框原理圖。
圖3為反比調(diào)寬脈沖器的結(jié)構(gòu)原理圖。
本發(fā)明的反調(diào)寬脈沖電流反饋法是一種把電功率直接變?yōu)槊}沖頻率，且此脈沖頻率數(shù)與被測(cè)的電功率成正比的一種新方法，圖1、2中1為同步整形、2為比較元件、3為電流放大器、4為電壓/頻率轉(zhuǎn)換器、5為脈沖控制門(mén)、6為數(shù)字顯示器、7為反比調(diào)寬脈沖器、8為電壓/電流轉(zhuǎn)換器、9為比例積分器、10為調(diào)寬電子開(kāi)關(guān)。此方法是1.先將輸入的被測(cè)電壓U和被測(cè)電流進(jìn)行同步整形，使輸出的電流為一正比于輸入電流和Cosψ乘積的電流輸出信號(hào)I，I∝I·Cosφ或I＝k1·ICosψ，輸出的電壓信號(hào)為一正比于輸入電壓U的電壓信號(hào)U，U∝U或U＝k2·U，其中ψ為輸入電流I和輸入電壓U之間的相位角，k1、k2為常數(shù)，(同樣也可以用整形，使輸出電壓為一正比于輸入電壓和Cosψ乘積的電壓信號(hào)U，U＝k1UCosψ，而輸出電流為一正比于輸入電流的電流信號(hào)I，I∝I，或I＝k2I)。
2.將同步整形后的電流I與由反饋系統(tǒng)來(lái)的反饋電流IF相減，其差值IC與電流I成正比，與反饋電流IF成反比，即IC∝
，其中k3為常數(shù)。
3.將IC值用一高阻抗、高放大倍數(shù)的電流放大器3放大，且再由電壓/頻率轉(zhuǎn)換器4轉(zhuǎn)換為脈沖頻率信號(hào)f。
4.將此所得的脈沖頻率信號(hào)f通過(guò)脈沖控制門(mén)5后直接用數(shù)字顯示器6顯示。
5.將脈沖頻率信號(hào)f送入反比調(diào)寬脈沖器7，此脈沖器和調(diào)寬電子開(kāi)關(guān)10以及基準(zhǔn)源EO組成一負(fù)反饋系統(tǒng)。反比調(diào)寬脈沖器由脈沖頻率信號(hào)和電壓U和EO作為輸入，每當(dāng)輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，此調(diào)寬脈沖器就輸出一個(gè)寬度為△t的脈沖信號(hào)，此輸出的脈沖信號(hào)的頻率與脈沖頻率信號(hào)f相同，脈沖的寬度△t與輸入的電壓成反比，因此稱(chēng)為反調(diào)寬脈沖器。以此輸出的脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)調(diào)寬電子開(kāi)關(guān)，使電子開(kāi)關(guān)有反饋電流IF輸出，此IF∝EO·f·△t，或IF＝k4f· 1/(U) ，其中k4為常數(shù)。
6.系統(tǒng)平衡時(shí)I＝IF，亦即k1ICosψ＝k4·f· 1/(U) ，∴f＝ (k1)/(k4) ·UICosψ，令K＝ (k1)/(k4) ，則f＝KUICosψ，其K為常數(shù)。
由上述可知，測(cè)出脈沖頻率信號(hào)f，亦就可測(cè)出電功率，因此用數(shù)字顯示器測(cè)出的f亦就為所需測(cè)的電功率。
由上述方法可知，由于電流放大器輸入阻抗高放大倍數(shù)很大，所以由U/f轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖頻率可以有很好的穩(wěn)定性和抗干擾性，而反饋電流因每個(gè)脈沖反饋的電荷量又相同，當(dāng)選用好的基準(zhǔn)穩(wěn)壓管并加以恒溫措施為基準(zhǔn)源，本方法可使電功率的測(cè)量精度很高。
為了使本方法能得到好的測(cè)量精度，反比調(diào)寬脈沖器是由可將輸入的電壓U先是輸入到電流IU嚴(yán)格與輸入的U成正比(IU∝U)的電壓/電流轉(zhuǎn)換器8和積分比較器9所組成，積分比較器9是一個(gè)輸入信號(hào)為脈沖信號(hào)f、電流信號(hào)IU，已知電壓E，輸出信號(hào)為寬度為△t的脈沖信號(hào)的電路塊，參見(jiàn)圖2。此電路塊設(shè)有一個(gè)電容C和一個(gè)設(shè)定的E，當(dāng)輸入頻率信號(hào)f的一個(gè)脈沖，電流IU就對(duì)電容C充電，一直到電容電位到E，在此充電時(shí)間內(nèi)，積分比較器均有輸出，當(dāng)電位到E后，輸出就為零，直到第二個(gè)脈沖來(lái)后，再重復(fù)上述情況。由此可見(jiàn)，由于輸出為一寬度為△t的脈沖，且電流IU愈大，充電時(shí)間愈短，△t就愈狹，因此為一反比調(diào)寬脈沖器。
圖3為上述反比調(diào)寬脈沖器的一個(gè)實(shí)施例，其電壓/電流轉(zhuǎn)換器采用由運(yùn)算放大器A2和積分環(huán)節(jié)C2組成的電壓放大器，將此放大的電壓通過(guò)RC濾波接到場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極，成一恒流源，即漏極和源極間的電流IU就嚴(yán)格只與U成正比，為了使其測(cè)量精度高，還在場(chǎng)效應(yīng)管的源極用電阻R9引入一反饋電壓與輸入的U組成負(fù)反饋。積分比較器由運(yùn)算放大器A3、場(chǎng)效應(yīng)晶體管T7、電容C5、穩(wěn)壓管D8、電阻R22、R36、二極管D5和由非門(mén)2、3組成的邏輯控制門(mén)所組成，其電路連接如圖3所示。當(dāng)脈沖信號(hào)f有一個(gè)脈沖輸入的瞬間，場(chǎng)效應(yīng)晶體管T7兩端b、d就導(dǎo)通，b點(diǎn)為高電位，a點(diǎn)電壓由穩(wěn)壓管D8定為E，b點(diǎn)電位高于a點(diǎn)，A3有輸出，隨后場(chǎng)效應(yīng)管有電流IU通過(guò)，b點(diǎn)電位下降，電流愈大，電位下降愈快。當(dāng)b點(diǎn)電位降至E時(shí)，A3無(wú)輸出，再來(lái)一個(gè)脈沖，再重復(fù)上述過(guò)程，由此可知，在脈沖信號(hào)f輸入的一瞬間、及b點(diǎn)電位從高降至E的過(guò)程，A3均有輸出，由于非門(mén)2的輸入為脈沖信號(hào)f，用與非門(mén)1將A3的輸出和非門(mén)2的輸出相與再非，則與非門(mén)1的輸出的脈沖信號(hào)的寬度就只能與電流IU成反比，此輸出脈沖信號(hào)的頻率則與f相同。
綜上所述，本發(fā)明測(cè)量電功率的方法，是一新穎的方法，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需昂貴的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，價(jià)格大為便宜，而采用集成電路塊高阻抗、大倍數(shù)放大器，高穩(wěn)定的基準(zhǔn)內(nèi)電源，場(chǎng)效應(yīng)管的恒流源，則可制得高精度的電功率表，因此本發(fā)明具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。
如將三個(gè)(或二個(gè))本發(fā)明輸出脈沖相加，即可構(gòu)成三相電子功率表和三相電能表。如用本發(fā)明輸出的脈沖去驅(qū)動(dòng)計(jì)度器，即可構(gòu)成三相或單相工業(yè)或民用的電能表。
權(quán)利要求
1.測(cè)量電功率的反調(diào)寬脈沖電流反饋法是一種把電功率直接變?yōu)槊}沖頻率，此脈沖頻率與被測(cè)的電功率成正比的新方法，此方法為(1)先將輸入的被測(cè)電壓U和被測(cè)電流I進(jìn)行同步整形，使輸出的電流為一正比于輸入電流和Cosφ乘積的電流輸出信號(hào)I，I=K1ICosψ輸出的電壓為一正比于輸入電壓的電壓輸出信號(hào)U，U=K2U，其中ψ為輸入電流和輸入電壓間相位角，K1、K2為常數(shù)，(或者使輸出的電壓為一正比于輸入電壓和Cosφ乘積的電壓輸出信號(hào)U，輸出電流為一正比于輸入電流的電流輸出信號(hào)I)。(2)將同步整形后的電流I與由反饋系統(tǒng)來(lái)的反饋電流IF相減，其差值Ic與電流I成正比，與反饋電流IF成反比，即
，K3為常數(shù)。(3)將Ic值通過(guò)高倍放大的電流放大器放大，并將其放大后的輸出值再由電壓/頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為脈沖頻率信號(hào)f。(4)將脈沖頻率信號(hào)f通過(guò)脈沖控制門(mén)，然后送至數(shù)字顯示器顯示。(5)將脈沖頻率信號(hào)f送入由反比調(diào)寬脈沖器、調(diào)寬開(kāi)關(guān)和基準(zhǔn)電源組成的反饋系統(tǒng)，反比調(diào)寬脈沖器由輸入的電壓信號(hào)U對(duì)脈沖頻率信號(hào)的寬度進(jìn)行控制，使輸出脈沖信號(hào)的寬度Δt與U成反比，此輸出信號(hào)使調(diào)寬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電氣開(kāi)關(guān)作用，且開(kāi)關(guān)頻率與f相同，調(diào)寬開(kāi)關(guān)由基準(zhǔn)源供電，因此由調(diào)寬開(kāi)關(guān)輸出的反饋電流IF，它與脈沖頻率f、脈沖寬度Δt和基準(zhǔn)源Eo成正比，IFO＜Eo·f·Δt，因?yàn)镋o為衡量，而Δt 1/(U) ，所以IF=K4·f· 1/(U) 。K4為常數(shù)。(6)當(dāng)負(fù)反饋系統(tǒng)平衡時(shí)，I=IF，即K1·ICosφ=K4f· 1/(U) ∴f= (k1)/(k4) ·UICosφ=KUICosφK= (k1)/(k4) 為常數(shù)。由此可見(jiàn)，測(cè)出脈沖頻率信號(hào)f，就測(cè)出電功率，因此上述(4)測(cè)出的數(shù)字，就為電功率。
2.按權(quán)利要求1所述的測(cè)量電功率的反調(diào)寬脈沖電流反饋法，其特征在于所述的反饋系統(tǒng)的反比調(diào)寬脈沖器是由電壓/電流轉(zhuǎn)換器、積分比較器所組成，所述的電壓/電源轉(zhuǎn)換器為一輸出的電流IU嚴(yán)格與輸入的電壓U成正比的轉(zhuǎn)換器。所述的積分比較器是在脈沖信號(hào)f有一個(gè)脈沖輸入時(shí)，它的電容器C就可由電壓/電流轉(zhuǎn)換器來(lái)的電流IU對(duì)其充電，直到電容器電位為E，在此充電時(shí)間內(nèi)均有輸出，而在電位到達(dá)E后就無(wú)輸出的脈沖寬度△t與IU成正比的脈沖輸出電路。
3.按權(quán)利要求2所述的測(cè)量電功率的反調(diào)寬脈沖電流反饋法，其特征在于所述的反饋系統(tǒng)的反比調(diào)寬脈沖器中的電壓/電流轉(zhuǎn)換器是由運(yùn)算放大器A2和反饋電容C2組成的電壓放大器、和由場(chǎng)效應(yīng)晶體管T12所作的恒流源及由R9端反饋電壓所組成，電壓放大器的輸出端通過(guò)Rc濾波與恒流源場(chǎng)效應(yīng)管柵極相聯(lián)接，場(chǎng)效應(yīng)管T12漏極輸出為此轉(zhuǎn)換器的輸出，所述的積分比較器由運(yùn)算放大器A3、電容C5、穩(wěn)壓管D8、電阻R22、場(chǎng)效應(yīng)晶體管T7和邏輯判別門(mén)所組成，穩(wěn)壓管與電阻R22串聯(lián)在高、低電位之間，在穩(wěn)壓管兩端形成電位E，它接于運(yùn)算放大器負(fù)端a，場(chǎng)效應(yīng)晶體管漏極端與電容C5相接一端接高電位，柵極端接脈沖頻率信號(hào)f，源極端接電容另一端，并與電壓/電流轉(zhuǎn)換器的輸出端相聯(lián)接，同時(shí)還與運(yùn)算放大器的負(fù)端相聯(lián)，運(yùn)算放大器A3的輸出端與邏輯判別門(mén)的與非門(mén)2輸入端相接，邏輯判別門(mén)由非門(mén)2和3及與非門(mén)1組成，它的另一個(gè)輸入為非門(mén)2的脈沖頻率信號(hào)f，其輸出一路為非門(mén)3的脈沖頻率信號(hào)f，輸至脈沖控制門(mén)，另一路為與非門(mén)1的寬度為△t頻率為f的脈沖形狀驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸至調(diào)寬開(kāi)關(guān)。
4.按權(quán)利要求1、2、3、4所述的測(cè)量電功率的反調(diào)寬脈沖電流反饋法，其特征在于所述的被測(cè)電壓U和被測(cè)電流I的同步整形，是由輸入的電壓(或電流)經(jīng)放大器AO整形后產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)輸入電壓(或電流)同步的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)去驅(qū)動(dòng)電流、電壓電子開(kāi)關(guān)，使輸入的被測(cè)電流和電壓通過(guò)此開(kāi)關(guān)后其輸出電流(或電壓)就與輸入電流(或電壓)和Cosψ的乘積成正比，輸出電壓(或電流)與輸入電壓(或電流)成正比。
全文摘要
本發(fā)明測(cè)量電功率的反調(diào)寬脈沖電流反饋法屬于電功率測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域，它是一種把電功率測(cè)量直接變成脈沖頻率測(cè)量的新方法。本方法先將輸入電流和電壓進(jìn)行同步整形，然后將輸入電流和反饋電流相減，其差值放大并轉(zhuǎn)換為頻率脈沖信號(hào)。本方法不需用精密的?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器，精確度可達(dá)0.1級(jí)以上。
文檔編號(hào)G01R21/127GK1041826SQ88106969
公開(kāi)日1990年5月2日 申請(qǐng)日期1988年10月8日 優(yōu)先權(quán)日1988年10月8日
發(fā)明者薄煥林 申請(qǐng)人:薄煥林